大功率服务器CPU用热管换热器设计及性能研究

数据中心高能耗、高热流密度的特点对数据中心服务器的安全散热提出了更高的要求。分离式热管具有高导热、易安装、低成本等特点,在解决服务器CPU高热流密度散热需求的问题上具有很好的应用前景。本文以标准19寸2U服务器为设计依据,设计了最大散热功率为500 W的分离式热管换热器,实验研究了该热管在不同充液率、不同加热功率下的工作性能,热管的启动性能及冷却温度对其性能的影响,据此对热管进行了结构改进,获得了能够满足大功率散热要求的分离式热管。本文采用铝合金和R134a分别作为分离式热管的管材和充装工质,以传热性能优良、节约成本、便于安装、安全可靠为原则设计了两种分离式热管,两热管(1-SHP和2-SHP)分别采用横排和竖排冷凝管结构的冷凝端;实验测试了分离式热管充液率从20%变化到70%过程中,每个充液率下加热功率为100 W~500 W时分离式热管的工作状态,实验选用金属陶瓷加热片为热源并采用与冷板直接接触的冷却方式对冷凝端进行散热。实验研究了充液率、加热功率对分离式热管传热性能的影响。在综合考虑分离式热管的均温性及热源发热功率的前提下,发现两热管的最佳充液率均为50%,随功率增加,1-SHP的热阻先减小后增加,2-SHP的热阻先减小后逐渐平稳。在最佳充液率下,冷却温度为20℃,加热功率为500 W时,1-SHP对应的热阻和热源表面温度分别为0.040℃/W和68.30℃;2-SHP对应的热阻和热源表面温度分别为0.035℃/W和61.34℃,相较于1-SHP,2-SHP具有更好的工作性能。在最佳充液率下,随功率的增加,热源表面温度达到平衡所需的时间逐渐增加,2-SHP能够满足服务器芯片变功率工作的要求。冷却温度在14~26℃时,热源表面温度与冷却温度几乎呈线性关系,但对分离式热管均温性影响不大。通过减小蒸发端的高度和对蒸发表面进行机械处理来对热管进行改进,改进后热管的最佳充液率为35%,当冷却温度为20℃,加热功率为500 W时,热管的热阻和热源表面温度分别为0.021℃/W和55.91℃,与2-SHP相比分别减小40%和8.85%;当加热功率分别为100 W、200 W、300 W、400 W和500 W时,改进后分离式热管达到平衡所用的时间分别为130 S、160 S、200 S、210 S、260 S,比2-SHP分别减少了90 S、100S、100 S、90 S、70 S,改进后热管性能提升明显。通过本研究设计了具有结构简单、成本低、便于安装、安全可靠的分离式热管,当在冷却温度为20℃,最大散热功率为500 W时,热管可将热源表面温度控制在55.91℃,且达到了高热流密度CPU的散热要求。